第一章 聚合物流变学2011-2012-1解析
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聚合物流变学(Rheology for Polymer)课程编号:07410156学分:2学时:32 (讲课学时:32)先修课程:高等数学,大学物理,高分子物理适用专业:高分子材料与工程教材:高分子流变学基础,史铁钧、吴德峰著.北京:化学工业出版社,2011年4 月第一版一、课程的性质与任务:(-)课程性质(需说明课程对人才培养方面的贡献)本课程是面向高分子材料与工程高年级本科生的专业基础选修课,本课程的内容与高分子成型加工、高分子工程、高分子物理等方向密切相关,是高分子材料专业学生进一步开展这些方向的深入学习和研究的基础。
本课程旨在介绍聚合物熔体流变学原理及其在加工过程中的专业应用,通过研究热和力对聚合物流体流动和变形的影响。
使学生了解聚合物熔体的粘性流动、弹性效应及其流变测定法、守恒方程和本构方程、流体在简单几何形状流道中的流动,以及挤出、注塑、压延和吹塑等成型过程中的流动。
另外,对挤出机、双辐机和密炼机的混合特性进行研究,使学生进一步掌握各种高分子材料成型工艺。
本课程的主要目的是使学生掌握相关流变学的思想,理解相关理论,并能够利用流变学相关理论知识解决工程中遇到的实际问题。
(二)课程目标(根据课程特点和对毕业要求的贡献,确定课程目标。
应包括知识目标和能力目标。
)课程目标1:掌握聚合物材料的独特流变学特征,并理解相关机理;课程目标2:掌握聚合物结构与其流变学特征之间的关系;课程目标3:掌握流变学性能的相关测试及其原理;课程目标4:掌握影响聚合物流变学特征的各种因素,能够通过调控相关因素来控制流变行为。
二、课程内容与教学要求(按章撰写)第一章绪论(一)课程内容(列出主要知识点、能力点)(1)流变学的历史和现状(2)流变学的研究对象和方法(3)高分子材料典型的流变行为(4)流变学在高分子材料加工中的应用(二)教学要求(将相关内容按照掌握、理解、了解等不同教学要求进行分类)通过学习使学生掌握聚合物流变学的基本概念、内容和意义,了解聚合物流变学的发展历史,懂得聚合物流变学的发展趋势和方向,了解聚合物流变学中的一些奇特现象以及理解产生这种特殊的行为的物理原因是什么。
6流变学方法在聚合物研究中的应用6.1 测量分子量及其分布的流变学方法分子量(MW)和分子量分布(MWD)在确定聚合物的物理性质时起了很重要的作用,因此得到聚合物的分子量和分子量分布对聚合物工业是必不可少的。
如果已知某种可测量的物理性质对分子量的依赖性,原则上就可以通过测量这种物理性质来确定分子量。
而且对分子量的依赖性越强,确定分子量的敏感度就越高。
通常所采用的确定聚合物分子量及其分布的方法有凝胶渗透色谱法(GPC)、光散射和本征粘度法等。
表6-1列出了几种常用方法对分子量的依赖性及敏感度(Mead 1994)。
虽然这些方法(如GPC)得到了广泛的应用,但是实验中样品的准备时间和测试时间使它们不适用于在线过程控制,而且要求所测试的聚合物能在室温下很容易地溶解于溶剂中,但是许多工业上大量应用的聚合物,如聚乙烯、聚丙烯和含氟聚合物(聚四氟乙烯)等,在室温下可能只能部分地溶解于普通的溶剂。
有时即使传统的方法可行,这些方法的灵敏度和精度都不高,特别是对于分子量分布有高分子量尾部的样品,而高分子量尾部对聚合物加工性能的表征有很大影响。
鉴于传统方法的不足,又由于聚合物的分子量及其分布与聚合物的粘弹性质有密切的关系,因此就有了利用聚合物粘弹性质来确定分子量分布的流变学方法。
与传统的方法相比,流变学方法可以作到快速测量,而且不需要溶剂来溶解聚合物,因而从理论上将对任何聚合物都适用。
流变学方法的另一个优点就是对高分子量尾部的灵敏度高。
表6-1 用分子量区别线性柔性聚合物的各种方法的分子量标度方法 对分子量的依赖性关系对分子量的敏感度关系其它GPC M1/2 M-1/2 排除体积对高分子量部分不敏感本征粘度 M0.6 M-0.4 流体体积法对高分子量部分不敏感光散射 M1M0 对高分子量部分敏感渗透压 M-1 M-2 对低分子量聚合物的数均分子量较准 零剪切粘度 M3.4 M2.4 适用于具有类似分布形状的体系可回复柔量 (M z/M w)~3.5 … 反映了分子量分布的分散性 对分子量绝对值不敏感分子量对聚合物粘度的影响取决于分子量的大小:当分子量小于缠结分子量eM时,零剪切粘度与分子量是一次方关系;当分子量大于缠结分子量时,零剪切粘度与分子量呈3.4次方关系。
1 聚合物流变学复习题参考答案一、名词解释(任选 5 小题,每小题 2 分,共 10 分):1、蠕变:在一定温度下,固定应力,观察应变随时间增大的现象。
应力松弛:在温度和形变保持不变的情况下,高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。
或应力松弛:在一定温度下,固定应变,观察应力随时间衰减的现象.2.端末效应:流体在管子进口端一定区域内剪切流动与收敛流动会产生较大压力降,消耗于粘性液体流动的摩擦以及大分子流动过程的高弹形变,在聚合物流出管子时,高弹形变恢复引起液流膨胀,管子进口端的压力降和出口端的液流膨胀都是与聚合物液体弹性行为有密切联系的现象。
2、时-温等效原理:升高温度和延长时间对分子运动及高聚物的粘弹行为是等效的,可用一个转换因子αT将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据。
3、熔体破裂:聚合物熔体在高剪切速率时,液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动,引起液流破坏的现象。
挤出胀大:对粘弹性聚合物熔体流出管口时,液流直径增大膨胀的现象。
4、.熔融指数:在标准熔融指数仪中,先将聚合物加热到一定温度,使其完全熔融,然后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出,以十分钟内挤出的聚合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。
5、非牛顿流体:凡不服从牛顿粘性定律的流体。
牛顿流体:服从牛顿粘性定律的流体。
6、假塑性流体:流动很慢时,剪切粘度保持为常数,而随剪切速率或剪切应力的增大,粘度反常地减少——剪切变稀的流体。
膨胀性流体:剪切速率超过某一个临界值后,剪切粘度随剪切速率增大而增大,呈剪切变稠效应,流体表观“体积”略有膨胀的的流体。
7、粘流活化能:在流动过程中,流动单元(即链段)用于克服位垒,由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。
8、极限粘度η∞:假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度(即在切变速率很高时对应的粘度)。
10、拉伸流动:当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。
聚合物流变学的学习与心得体会通过一学期的聚合物流变学的学习,使我对其有了初步的了解。
现在针对平时学习笔记和课后浏览相关书籍所获知识进行总结。
一、聚合物流变学学习内容1. 流变学中的基本概念流变学是研究材料的流动和变形规律的科学,是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。
聚合物随其分子结构、分子量的不同,以及所处温度的不同,可以是流体或固体,它们的流动和变形规律各不相同,也即有不同的流变性能。
聚合物流变学是研究聚合物及其熔体的变形和流动特性。
1.1 粘弹性流体特性及材料流变学分类粘性流体的流动是:变形的时间依赖性;变形不可恢复(外力作的功转化为热能);变形大,力与变形速率成正比,符合Newton's流动定律。
根据经典流体力学理论,不可压缩理想流体的流动为纯粘性流动,在很小的剪切应力作用下流动立即发生,外力释去后,流动立即停止,但粘性形变不可恢复。
切变速率不大时,切应力与切边速率呈线性关系,遵循牛顿粘性定律,且应力与应变本身无关。
流体→流动→粘性→耗散能量→产生永久变形→无记忆效应根据经典固体力学理论,在极限应力范围内,各向同性的理想弹性固体的形变为瞬时间发生的可逆形变。
应力与应变呈线性关系,服从胡克弹性定律,且应力与应变速率无关。
固体→变形→弹性→储存能量→变形可以恢复聚合物流动时所表现的粘弹性,即有粘性流动又有弹性变形,与通常所说的理想固体的弹性和理想液体的粘性大不相同,也不是二者的简单组合。
材料流变学分类⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧==⎩⎨⎧⋅=⋅=⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧==∞=⎩⎨⎧⋅=⋅=)),,(()),,((.3.2())((.1)),,(.30,(.2))((.1t f t f t f G G G G E γγσγγσγησγγησγγσγγγσγσ 非线性线性粘弹性流体无粘性牛顿流体)线性非线性粘性流体流体非线性线性(粘弹性固体)刚体非线性)为常数、线性(弹性固体固体 其中非牛顿流体⎩⎨⎧粘弹性流体广义牛顿流体非牛顿流体 基本变形方式:拉伸(压缩)、剪切、膨胀。